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辽西地区春玉米农田N_2O排放特征与固碳减排机制

杨黎  
【摘要】:氮肥在保障我国粮食安全中起着不可替代的支撑作用,氮肥施用量也在逐年持续增长,且在粮食主产区普遍偏高,对生态环境带来了安全隐患。春玉米是我国东北地区主要的粮食作物,该区春玉米农田氮肥投入通常超出氮肥推荐施用量;由于氮肥过量投入和不合理的耕作,地力呈下降趋势,也成为重要的温室气体排放源。如何优化田间管理措施在保障作物产量的同时实现固碳减排,对于该地区农业的可持续发展具有现实意义。本研究采用田间原位试验、土壤微生物测定试验和生物地球化学循环模型模拟相结合的方法,研究辽西地区春玉米农田主要温室气体(N_2O)排放和土壤呼吸特征,定量分析不同施氮措施和秸秆还田对春玉米产量、N_2O排放、土壤呼吸以及硝化和反硝化菌种群的影响,并在此基础上利用DNDC模型探讨既能保障产量又能实现固碳减排的优化管理措施。主要研究内容与结果如下: (1)2009-2012年连续4年的田间试验观测表明,在农民习惯施肥措施(FP)下,辽西地区春玉米农田土壤N_2O排放通量与高峰出现主要受施肥和降雨影响,且呈现较一致的规律性;N_2O季节排放总量均值为1.14±0.19kg N ha~(-1),年际间变异系数为17%;土壤呼吸季节总量均值为2019±264kg C ha~(-1),年际间变异系数为13%。进一步分析表明农田土壤N_2O排放和土壤呼吸动态与环境因子密切相关,土壤N_2O排放与土壤无机氮含量正相关(P 0.01),土壤呼吸强度与土壤温度呈指数相关,与土壤湿度显著负相关(P 0.01)。 (2)不同施氮措施和秸秆还田对N_2O减排效果的田间原位观测试验结果表明,减施20%氮肥处理(OPT)与FP处理相比,2009-2012年4个春玉米生长季中农田土壤N_2O均有减排效果,且减幅在逐年增大,但减排效果不显著。而在减氮20%的基础上改施缓释肥处理(CRF)或添加硝化抑制剂处理(OPT+DCD),可在不影响春玉米产量的同时显著降低供试农田土壤N_2O排放。与FP处理相比,CRF处理下2009年和2010年春玉米生长季N_2O排放总量降低幅度分别为10%和13%,OPT+DCD处理在2011年和2012年N_2O季节排放总量降幅分别达到22%和31%,均具有较显著的减排效果。在OPT基础上加秸秆还田处理(OPTS)的4个春玉米生长季N_2O排放总量在所有处理中均为最高,秸秆还田措施明显促进了N_2O排放。 (3)不同施氮措施和秸秆还田对土壤呼吸影响的田间试验结果表明,供试农田土壤呼吸季节变化与作物生长进程、土壤温度变化、秸秆还田等密切相关。在秸秆还田措施下,生长季前期土壤呼吸强度显著高于其他处理。CK、FP、OPT、OPTS处理在2009-2012年4个春玉米生长季农田土壤呼吸季节总量均值分别为1891.2±59.0kg C ha~(-1)、1939.3±39.6kg C ha~(-1)、1945.2±46.3kgC ha~(-1)、2096.4±156.8kg C ha~(-1);CRF、OPT+DCD处理在2009-2010年和2011-2012年的结果分别为2320.8±102.5kg C ha~(-1)、1759.2±78.0kg C ha~(-1);不同施氮措施对土壤呼吸无显著影响。 (4)2012年春玉米生长季追肥前后不同处理下土壤硝化、反硝化菌群大小的微生物测定试验结果表明,CK处理下所采土壤样品中AOB和AOA amoA基因拷贝数平均值分别为0.1×105(g SDW~(-1))和0.2×105(g SDW~(-1)),反硝化细菌nirS基因拷贝数平均值为0.5×107(g SDW~(-1)),均显著低于其它施氮处理;氮肥施用通过促进氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)和具有nirS基因的反硝化细菌种群数量增长,进而促进N_2O排放。与其他施氮处理(FP、OPT、OPTS)相比,OPT+DCD处理下供试农田土壤中AOA和AOB amoA基因拷贝数与反硝化细菌nirS基因拷贝数均为最低,可见DCD对参与硝化和反硝化反应的微生物具有抑制作用,从而实现N_2O减排。 (5)利用2010和2011年实测的田间试验数据对DNDC模型的验证结果表明,DNDC模拟的不同处理下土壤呼吸季节总量、N_2O排放季节总量、春玉米产量与田间观测较一致,模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)基本控制在8%以内;且能较准确的模拟再现土壤呼吸和N_2O排放动态。表明应用DNDC模型进一步评价春玉米农田固碳减排措施具有可靠性。 (6)应用DNDC模型评价不同管理措施固碳减排长期效果的结果表明,在50年时间尺度上,优化施氮措施(OPT、CRF、OPT+DCD)不会显著影响作物产量(与FP相比),并可以不同程度降低N_2O排放(分别减少8%、13%、12%),但这些措施下土壤有机碳增加较小。在优化施氮措施基础上采取秸秆还田,能在保障产量的同时有效增加土壤固碳,大幅减少春玉米种植系统温室气体净排放,从长期看是一项有效的固碳减排措施。


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